徐璐琪 崔 律 岳 克

（上海電力學院，上海 200090）

應用于MOA三次諧波提取的帶通濾波器設計

徐璐琪 崔 律 岳 克

（上海電力學院，上海 200090）

本文介紹了目前常用的MOA阻性泄漏電流提取方法。根據(jù)DL/T 987—2005標準所推薦避雷器泄漏電流標準波形，設計了窄帶通濾波器，實現(xiàn)MOA阻性三次諧波電流的提取。測量結果表明，該電路可實現(xiàn)對MOA泄漏電流的三次諧波濾波，誤差接近1%滿足工程需要，因此論文設計的濾波電路可用于MOA泄漏電流的提取技術中。

MOA；阻性電流；三次諧波電流；帶通濾波電路

MOA主要用于限制由線路傳來的雷電過電壓或有操作引起的內部過電壓，是保證電力系統(tǒng)安全運行的重要設備之一［1］。在MOA長期運行過程中，首先泄漏電流有功分量導致閥片發(fā)熱老化，其次雷電過電壓、操作過電壓以及工頻電壓等長期作用在閥片，加以環(huán)境因素影響導致閥片受潮，從而造成MOA閥片劣化，阻性泄漏電流增大，反復作用下最終導致MOA損壞。

因此對運行中的 MOA阻性泄漏電流進行長期的在線監(jiān)測，可以有效地防范 MOA絕緣損壞。而在線監(jiān)測系統(tǒng)需要研究的核心問題是如何提高阻性泄漏電流分量的提取精度。提高精度可以從以下幾點入手:①完善理論基點，減少理論瑕疵從根本上提高測量的準確性；②提取過程中避免使用參考信號，考慮到在線監(jiān)測的實用性和現(xiàn)場情況，使用參考信號的方法并不適合；③提高提取電路硬件搭建的合理性和實用性?；谏鲜鲆笳撐母鶕?jù) DL/T 987—2005標準所提出的避雷器泄漏電流標準波形，論文采用帶通濾波器提取三次諧波，將三次諧波作為判斷 MOA運行狀態(tài)的依據(jù)，對該帶通濾波電路做出了詳細分析以及精度驗證。

1 主要阻性電流提取方法分析

目前在線監(jiān)測技術中常用的阻性泄漏電流提取方法主要包括阻性電流三次諧波法、基波法、補償法、三次諧波濾波法等。

三次諧波法又稱零序電流法，由于 MOA阻性電流 IR與阻性電流三次諧波分量 IR3在數(shù)值上存在一定比例關系，因此可以通過檢測金屬氧化物避雷器三相總泄漏電流中阻性電流三次諧波分量 IR3來判斷其總阻性電流 IR的變化［2］。通過 CT分別提取三相的全泄漏電流。由于基波電流每相之間相差120°，因此三相疊加后相互抵消，從而消除容性和阻性基波電流。而三相零序電流方向相同，因此能夠提取出三相疊加后的零序電流Io即阻性電流的三次諧波分量。

三次諧波法應用的在線監(jiān)測技術中簡單，方便實現(xiàn)。相較于其他方法，三次諧波法不需依靠外加參考電壓減少了工程上的麻煩。但在實際使用中三次諧波法存在兩點問題，首先，該方法無法判斷具體哪一項出現(xiàn)問題。其次當電網(wǎng)電壓含有諧波分量時，會對測取的結果造成影響。

基波法利用 MOA在運行中，只有阻性基波電流做功的原理，不考慮電網(wǎng)諧波影響，將同步采集MOA上的電壓信號和電流信號，分別進行 FFT可得基波電流、電壓的幅值和相角，再通過基波電流投影到基波電壓上從而提取阻性基波電流。該方法利用數(shù)學分析實現(xiàn)了阻性基波電流的測取，在硬件搭建上簡單，硬件設備誤差極小，但是由于忽略全泄漏電流中高次諧波分量和電網(wǎng)諧波分量，原理上存在的誤差較大。

補償法則是通過參考信號（一般為系統(tǒng)電壓信號）經微分電路和全泄漏電流信號一起經過差分電路后提取阻性電流。例如日本早期使用的LCD-4型泄漏電流檢測儀，根據(jù)阻性與容性泄漏電流的正交性原理，當自動調節(jié)參考電容達到平衡條件［3］。該方法提取阻性電流原理簡單且完善，但是無法避免相間雜散電容引起的容性高次諧波帶來的影響。而改進補償法通過 FFT，得到電壓、基波電流以及各次諧波的幅值和相角，再依次對容性各次諧波分量進行補償，改進后的補償法避免了相間雜散電容的影響，是目前常用的阻性電流提取手段。

三次諧波濾波法是IEC的有關文件推薦的有效測量方法之一［4］，以DL/T 987—2005標準提出的避雷器泄漏電流標準波形為依據(jù)，即

三次諧波分量是全電流中的第二大分量，同時又是直接與閥片阻性電流峰值大小相關聯(lián)［5］，因此可以通過窄帶通濾波電路將阻性三次諧波分量從基波分量中區(qū)分出來。阻性基波分量和三次諧波分量在數(shù)值上存在一定比例關系，雖然該比例受閥片本身以及閥片老化程度的影響，但是可以直接通過三次諧波分量做縱向比較作為判斷 MOA運行狀態(tài)的依據(jù)。文獻［6］指出實際上國外有些電力公司就是直接測量 MOA泄漏電流中的三次波分量作為檢測MOA的依據(jù)，例如菲律賓電網(wǎng)。該提取方法在硬件電路上加以完善，配合互感器提取防大部分、峰值檢測、單片機A/D采樣等電路可用于在線監(jiān)測設備，不但具備普通三次諧波法的優(yōu)點，而且能夠準確判斷故障相。論文為了驗證該方法的精度，設計了適用于該方法的濾波電路，并在軟件硬件上驗證。

2 三次諧波濾波法電路設計

三次諧波濾波法提取阻性三次諧波分量需要設計一個帶通窄、衰減速度快的有源濾波電路。論文采用多重負反饋帶通濾波電路，該濾波電路具有極高的選擇性和陡峭的過渡帶［7］，適用于上限與下限頻率相差不大的窄帶寬濾波，原理如圖1所示。

圖1 二階多重負反饋帶通濾波電路

圖1是一個二階多重負反饋濾波電路的，傳遞函數(shù)為

六階多重負反饋帶通濾波電路傳遞函數(shù)為

該六階電路是由三個二階電路串聯(lián)而成，因此兩個電路的傳遞函數(shù)存在如下數(shù)學關系

式（3）由濾波中心頻率、帶寬確定，將（3）因式分解成式（2）的形式，便可確定電容電阻的數(shù)值，即每個二階帶通濾波電路的中心頻率和帶寬可以確定。為了達到預定的衰減速度，放芯片應選擇GBW適當，電壓漂移、電源電流低的雙電源供電放大器，論文采用的是LMC6022，并依次搭建了三個不同中心頻率帶寬的二階帶通濾波電路，構成一個六階多重負反饋帶通濾波電路，中心頻率為150Hz、帶寬為60Hz。

為了測試利用該電路的幅頻特性，論文使用標準信號發(fā)生器提供的標準正弦波作為信號源，首先依次各二階電路進行測試，測試結果如圖2所示。而各二階電路依次串聯(lián)后的六階電路幅頻特性如圖3所示。該六階電路的中心頻率在150Hz附近，帶寬52Hz、150Hz對應的增益為0.75左右，在帶寬范圍外能夠迅速衰減符合設計要求，基波分量被有效地抑制，后續(xù)通過一個峰值檢測電路便可以完整的采集到三次諧波分量的峰值。

圖2 各二階帶通濾波電路幅頻特性

圖3 六階帶通濾波電路幅頻特性

圖3的試驗結果基本符合電路的初始設計，為了驗證該方法的精度，論文利用信號發(fā)生器根據(jù)式（1）選取了三組 IC、IR3做了濾波后橫向比較，信號發(fā)生器疊加輸出的波形如圖4所示，測試結果見表1。結果表明實驗結果的誤差在0～2%之間，滿足 DL/T 987—2005氧化鋅避雷器阻性電流測量儀通用技術條件中提出的精確度標準。誤差來源于在實際搭建中電阻、電容數(shù)值上帶來的誤差，可以通過選用精度更高的貼片電阻電容來減小誤差。必須指出的是使用三次諧波濾波法，在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)避雷器的全電流增大，而三次諧波電流變化不大。

圖4 信號發(fā)生器輸出波形

表1 實驗結果

3 結論

論文根據(jù) DL/T 987—2005氧化鋅避雷器阻性電流測量儀通用技術條件提供的 MOA泄漏電流標準波形，通過帶通濾波器提取出標準波形中的三次諧波分量。多重負反饋濾波電路是一種適用于窄帶通濾波，增益可控，衰減速度快，相較于普通低通高通巴特沃斯濾波器更加適合應用于三次諧波濾波中。論文對該濾波電路設計原理加以分析，按照濾波的需要論文設計了六階多重負反饋濾波電路，并驗證了該電路的精度，測試結果表明該方法提取的阻性三次諧波分量誤差在1%左右，滿足工程需要。

［1］曾文慧.氧化鋅避雷器絕緣在線監(jiān)測原理及系統(tǒng)研究［D］.成都：四川大學，2006.

［2］陳婷.氧化鋅避雷器阻性電流測量方法與應用技術研究［D］.蘇州：蘇州大學，2012.

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［5］秦松林.氧化鋅避雷器泄漏電流的非線性特性、監(jiān)測技術及狀態(tài)判別［OL］.2012-10-8.

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［8］秦松林.氧化鋅避雷器泄漏電流的非線性特性、監(jiān)測技術及狀態(tài)判別［OL］.http：//www.paper.edu.cn/html/ releasepaper/2012/10/43/.

［9］B60-307.秦松林.不用參考信號的ZnO阻性電流測量［R］.濟南：中國電機工程學會高電壓專業(yè)委員會年會，2011.

The Application of Bandpass Filter's Design on the Extraction of MOA Third Harmonic

Xu Luqi Cui Lv Yue Ke
（Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090）

This paper introduces the way of extraction of MOA resistive leakage current which is frequently used in these days.The extraction of MOA resistive third harmonic current is achieved by designing the bandpass filter，on the basis of leakage current standard waveform of the surge arrester recommended by the criterion of DL/T 987—2005.It is indicated by the measurement result that this circuit could achieve the filter of third harmonic current of MOA current of MOA leakage current，which meets the engineering requirement with the deviation approaches 1%.Consequently，the filter circuit designed by the paper could apply in the extraction technology of leakage current from the online detection device of arrester.

MOA；leakage current；third harmonic current；bandpass circuitry

徐璐琪（1992-），女，江西省南昌市人，碩士研究生，研究方向:避雷器阻性電流在線監(jiān)測。